(19) |
|
|
(11) |
EP 3 011 571 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
|
16.12.2020 Patentblatt 2020/51 |
(22) |
Anmeldetag: 20.06.2014 |
|
(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
|
(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
|
PCT/EP2014/063042 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
|
WO 2014/202761 (24.12.2014 Gazette 2014/52) |
|
(54) |
SELBSTHALTEMAGNET MIT BESONDERS KLEINER ELEKTRISCHER AUSLÖSELEISTUNG
SELF-HOLDING MAGNET WITH A PARTICULARLY LOW ELECTRIC TRIGGER VOLTAGE
AIMANT DE MAINTIEN PRÉSENTANT UNE PUISSANCE D'EXCITATION ÉLECTRIQUE PARTICULIÈREMENT
FAIBLE
|
(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
|
AL AT BE BG CH CY CZ DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO
PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
20.06.2013 DE 102013010204 19.08.2013 DE 102013013585
|
(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
|
27.04.2016 Patentblatt 2016/17 |
(73) |
Patentinhaber: Rhefor GBR (Vertreten Durch Den Geschäftsführenden
Gesellschafter Arno Mecklenburg) |
|
12203 Berlin (DE) |
|
(72) |
Erfinder: |
|
- MECKLENBURG, Arno
10999 Berlin (DE)
|
(74) |
Vertreter: Behr, Wolfgang |
|
Lorenz Seidler Gossel
Rechtsanwälte Patentanwälte
Partnerschaft mbB
Widenmayerstraße 23 80538 München 80538 München (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
WO-A1-99/33078 DE-C- 943 479 US-A- 2 130 870 US-A- 6 130 594
|
DE-A1-102011 014 192 GB-A- 765 411 US-A- 3 444 490
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektromagnetischen Aktoren.
[0003] Es handelt sich bei diesen um permanent polarisierte, abschaltbare Elektromagnete:
Mit Hilfe von Permanentmagneten können Selbsthaltemagnete einen (Magnet-) Anker in
mindestens einer Lage stabil halten, wobei bedarfsweise vermittels einer Spule ("Auslösespule")
eine Gegenerregung erzeugt werden kann, welche das permanentmagnetisch erzeugte Feld
so weit kompensiert, dass die Ankerposition
nicht länger stabil ist. Es ist bekannt, in Selbsthaltemagneten einen magnetischen Nebenschluss
vorzusehen. Bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses ist der Nebenschluss
mit dem oder den Arbeitsluftspalten des Ankers parallel geschaltet. Bezüglich des
von der Spule erzeugten Flusses sind sie aber in Reihe geschaltet. Der Nebenschluss
vermindert damit einerseits die zur Kompensation des permanentmagnetisch erzeugten
Feldes erforderliche elektrische Leistung; andererseits werden der oder die Permanentmagnete
vor Entmagnetisierung geschützt. Oftmals werden Selbsthaltemagnete mit Federn kombiniert
und bilden mit diesen elektrisch auslösbare Federspeicher. Die Feder wirkt also auf
den Anker, um den oder die Arbeitsluftspalte zu öffnen. Der Selbsthaltemagnet ist
aber so ausgelegt, dass er bei Unterschreitung eines gewissen Mindestluftspaltes,
es bleibt ein Restluftspalt, die Feder in gespanntem Zustand zu halten vermag.
[0004] Durch Bestromen der Auslösespule kann eine Gegenerregung so erzeugt werden, dass
die magnetische Haltekraft geringer wird als die Federkraft und der Anker sich in
Bewegung setzt, wobei die zuvor in der Feder gespeicherte elastische Energie genutzt
werden kann, Arbeit zu verrichten. Derartige "magnetische Federspeicher" werden beispielsweise
als Auslöser, insbesondere Fehlerstromauslöser, in elektrischen Schaltgeräten, zum
Beispiel Leistungsschaltern, gebraucht. Allgemein bekannt ist auch die Verwendung
als Fehlerstromauslöser in Fehlerstrom-Schutzschaltern. Daneben werden sie in Verriegelungseinheiten
verwendet ("Verriegelungsmagnete"), wobei das Spannen mechanisch erfolgen kann oder
auch durch umgekehrte Erregung des Magneten mit Hilfe der Spule (Erregung statt Gegenerregung
wie beim Auslösen). Um das magnetische Spannen zu erleichtern, kann von einer Kennlinienbeeinflussung
Gebrauch gemacht werden, wodurch sich bei voll geöffnetem Arbeitsluftspalt weitaus
höhere Kraftkonstanten ergeben können.
[0006] In batteriebetriebenen Verriegelungseinheiten ist ein geringer Auslösestrom besonders
wünschenswert. Gleiches gilt für die Auslöser elektrischer Schaltgeräte, und zwar
insbesondere für Fehlerstromauslöser eigenversorgter Nieder- und Mittelspannungsschaltgeräte.
Auslöser, vor allem Fehlerstromauslöser, sollen ferner möglichst schnell reagieren,
also geringe Totzeiten aufweisen. Von solchen Auslösern ist außerdem zu fordern, dass
sie so ausgelegt werden können, dass nicht eine zu hohe Gegenerregung das Auslösen
unbeabsichtigt verhindert oder unzulässig verlangsamt: Eine Überkompensation des permanentmagnetisch
erzeugten Feldes und damit der zugehörigen Haltekraft kann nämlich die Ausbildung
einer Haltekraft infolge des mit dem Auslösestrom verketteten Flusses zur Folge haben,
sodass der Selbsthaltemagnet verzögert oder überhaupt nicht auslöst. Gleichsam müssen
Auslösemagnete natürlich recht erschütterungsunempfindlich sein, die unbeabsichtigte
Auslösung infolge von Schlägen oder sonstigen Erschütterungen soll stark erschwert
sein, weshalb die gewünschte hohe elektrische Empfindlichkeit - also die gewünscht
niedrigen Auslöseströme bzw. -leistungen - nicht einfach realisiert werden können,
indem magnetische Haltekraft und Federkraft einander möglichst nah angeglichen werden.
[0007] Damit ist die erfinderische Aufgabe gestellt: Selbsthaltemagnet mit Feder ("magnetischer
Federspeicher"), der im Vergleich zu bekannten Typen eine besonders niedrige elektrische
Auslöseleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sebsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0008] Die Erfindung geht von einem Selbsthaltemagneten mit Feder aus, wobei der Selbsthaltemagnet
einen Anschlag für den Anker sowie einen magnetischen Nebenschluss aufweist. In gespanntem
Zustand wird der Anker des Selbsthaltemagneten gegen die Federkraft permanentmagnetisch
gehalten, der Arbeitsluftspalt (oder die Arbeitsluftspalte, falls ein Anker mit mehreren
Polflächen verwendet wird) ist bis auf einen durch den Anschlag gegebenen (Arbeits-)Restluftspalt
geschlossen, wobei der Rahmen des Selbsthaltemagneten (als Ankergegenstück) selbst
als Anschlag dienen kann, ggf. mit einer Antiklebfolie o.ä..
[0009] Dabei weist der Nebenschluss eine besonders geringe Reluktanz auf: Erfindungsgemäß
ist der Nebenschluss so zu bemessen, dass seine Reluktanz im gespannten Zustand von
gleicher Größenordnung und möglichst gleich groß ist wie die Reluktanz des (Arbeits-)Restluftspaltes
(oder der Summe der Reluktanzen der Arbeitsrestluftspalte, sofern eine Reihenschaltung
mehrerer Arbeitsluftspalte vorhanden ist; dies ist bspw. bei Polplatten der Fall,
bei denen zwei Pole an derselben Fläche angreifen).
[0010] Bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses sind Arbeitsluftspalt(e) und
Nebenschluss magnetisch parallel geschaltet. Bezüglich des von der Spule erzeugbaren
Flusses sind sie aber in Reihe geschaltet. Die Reluktanz des Nebenschlusses ist, wie
gesagt, von gleicher Größenordnung wie die Reluktanz des (Arbeits-)Restluftspaltes
und möglichst gleich groß wie diese. Flussführende parasitäre Restluftspalte sind
entsprechend ihrer Anordnung ebenfalls zu berücksichtigen. Jedenfalls führt eine elektrische
Gegenerregung des Selbsthaltemagneten dazu, dass die Flussdichte in dem/den Arbeitsluftspalt(en)
vermindert wird, während die Flussdichte im Nebenschluss steigt.
[0011] Der Nebenschluss-Teilkreis kann außerdem bezüglich der in ihm auftretenden flussführenden
Querschnitte so ausgeführt werden, dass infolge magnetischer Sättigung die Reluktanz
des von der Spule "gesehenen" Eisenkreises mit zunehmender Gegenerregung derart zunimmt,
dass auch eine vergleichsweise starke Gegenerregung den Anker nicht wider die Federkraft
festzuhalten vermag (denn die Flussdichte im Nebenschluss steigt mit zunehmender Gegenerregung).
Zu diesem Zweck kann der Nebenschluss-Teilkreis über eine gewisse (Mindest-)Länge
einen möglichst konstanten, kleinsten effektiven Querschnitt besitzen. Der Nebenschluss
kann geometrisch definiert sein; er kann aber auch aus einem weichmagnetischen Werkstoff
vergleichsweise niedriger (makroskopischer) Permeabilität, insbesondere einem Sinterwerkstoff
mit verteiltem Luftspalt, gebildet werden, was die Fertigung vereinfachen kann.
[0012] Im Gegensatz zu bekannten Selbsthaltemagneten weist ein erfindungsgemäßer Selbsthaltemagnet
außerdem einen federnden Anschlag auf.
[0013] In herkömmlichen Selbsthaltemagneten mit Feder ("Speicherfeder") kann der Anschlag
in guter Näherung als starr betrachtet werden. In diesen Antrieben setzt sich deshalb
der Anker erst in Bewegung, wenn infolge der elektrischen Gegenerregung die magnetische
Haltekraft die angreifende (ablösende) Federkraft der Speicherfeder unterschreitet.
Dies ist nicht der Fall, wenn der Anschlag selbst einzufedern in der Lage ist. Allerdingssoll,
um der Forderung nach kleinen Auslöseleistungen bei hinreichender Erschütterungsunempfindlichkeit
gerecht zu werden, der mit Hilfe des Anschlags hergestellte Restluftspalt klein sein.
Entsprechend soll der federnde Anschlag von geeigneter Steifigkeit sein: Einerseits
soll der Anschlag weitaus steifer sein als die der elastischen Energiespeicherung
dienende "erste" Feder des Selbsthaltemagneten ("Speicherfeder"). Andererseits soll
der federnde Anschlag aber weitaus weniger steif sein, als es ein massiver Anschlag
(aus einem Eisenwerkstoff) wäre. Erfindungsgemäß ist der Anschlag 100- bis 10.000-mal
steifer als die "erste" Feder (Speicherfeder). Dabei soll der Anschlag keineswegs
eine lineare Kennlinie besitzen, sondern kann beispielsweise auch degressiv sein und
mit Hilfe von Biegefedern, insbesondere einer Tellerfeder, aufgebaut werden. Der federnde
Anschlag kann auch vorgespannt werden. Ferner kann der Anschlag einstellbar ausgestaltet
werden, zum Beispiel mit Feingewinden, sodass seine Vorspannung und/oder Ruhelage
eingestellt werden können, um die Auslösecharakteristik abzustimmen. Zusammengefasst
bilden die "erste" Feder (Speicherfeder) und die "zweite" Feder, nämlich der federnde
Anschlag, bezogen auf ihre Wirkung auf den Anker gemeinsam eine kombinierte Feder
mit höchst progressiver Kennlinie. Der federnde Anschlag lässt zu, dass bereits eine
sehr kleine Gegenerregung eine gewisse (kleine) Bewegung des Ankers zur Folge hat.
Da aber erfindungsgemäß der Nebenschluss eine sehr kleine Reluktanz aufweist, führen
schon sehr kleine Auslenkungen des Ankers aus seiner (geschlossenen, gespannten) Hubanfangslage
dazu, dass der Fluss über den Nebenschluss erheblich zu- und der Fluss über den (oder
die) Arbeitsluftspalt(e) merklich abnimmt, wobei sich die zugehörige magnetische Haltekraft
natürlich proportional zum Quadrat der Flussdichte im Arbeitsluftspalt entwickelt.
Die kleine Auslenkung des Ankers, die infolge des federnden Anschlags bereits von
einer kleinen Gegenerregung bewirkt wird, führt also infolge der sich ändernden Verteilung
des Flusses zwischen Arbeitsluftspalt und Nebenschluss zu einer erheblichen Verminderung
der magnetischen Haltekraft am Anker. Bei Auslegung und Einstellung des federnden
Abnschlags ist entsprechend zu berücksichtigen, dass eine hinreichende Erschütterungsunempfindlichkeit
des Systems erhalten bleibt (Unempfindlichkeit gegen versehentliche Auslösung). Um
die Unempfindlichkeit gegen versehentliche Auslösevorgänge durch Erschütterungen oder
auch durch von Störfeldern induzierte Gegenerregungen zu verbessern, kann mit einer
zusätzlichen elektrischen Erregung gearbeitet werden. Hierzu kann die Auslösespule
verwendet und entgegen derjenigen Richtung bestromt werden, die zur Auslösung gebraucht
wird. Es kann aber auch eine zusätzliche Wicklung verwendet werden.
[0014] Der Selbsthaltemagnet gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine der folgenden
Ausgestaltungen aufweisen:
1. Variabler Nebenschluss durch Ausführung als Umkehrhubmagnet
[0015] Der Umkehrhubmagnet kann einen variabel gestalteten Nebenschluss aufweisen. Das bedeutet,
dass beim Ablösen des Ankers - also während der Arbeitsluftspalt noch von der Größenordnung
seines Restluftspaltes ist - eine Bewegung des Ankers, die den Arbeitsluftspalt vergrößert,
eine Verringerung der Reluktanz des Nebenschlusses zur Folge hat. Hierzu kann die
Erfindung als Umkehrhubmagnet ausgeführt werden, wobei eine Stirnfläche des Ankers
zusammen mit dem Rahmen den Arbeitsluftspalt des Selbsthaltemagneten bildet. Das gegenüberliegende
Ende des Ankers kann den Nebenschluss bilden, wobei der Nebenschluss als Anker-Ankergegenstück-System
ausgeführt wird, welches vorzugsweise so ausgelegt wird, dass die höchste "Kraftkonstante"
am Hubanfang auftritt (also in derjenigen Position, in welcher der Arbeitsluftspalt
bis auf einen Restluftspalt geschlossen ist; die "gespannte" Lage). Folglich wird
in dieser Ausführungsweise der Erfindung dem Anker ein permanentmagnetisch erzeugter
magnetischer Fluss zugeführt, der entsprechend den zugehörigen Reluktanzen auf Arbeitsluftspalt
(ohne Kennlinienbeeinflussung) und Nebenschluss (mit Kennlinienbeeinflussung, wirkt,
den Arbeitsluftspalt zu öffnen) verteilt wird. Die Gegenerregung mit Hilfe der zugehörigen
Spule bewirkt dann eine Zunahme der auf den Anker wirkenden Reluktanzkraft am Nebenschluss
und eine Abnahme der Reluktanzkraft an der "Haltefläche", also am Arbeitsluftspalt.
Nebenschluss und Speicherfeder üben auf den Anker Kraft in der gleichen Richtung aus
(den Arbeitsluftspalt zu öffnen).
2. Nutzarbeit aus Verminderung der Reluktanz des variablen Nebenschlusses mit Hilfe
eines zweiten Ankers
[0016] Eine Verkleinerung des flussführenden Nebenschluss-Luftspaltes (Abnahme von dessen
Reluktanz) kann auch mit Hilfe eines zweiten Ankers ("Nebenschluss-Anker") erfolgen.
Dieser Anker ist beweglich so angeordnet, dass er den ohnehin kleinen Nebenschluss-Luftspalt
bis auf einen Restluftspalt zu schließen vermag. Die auf den Nebenschluss-Anker wirkende
Reluktanzkraft kann über eine mechanische oder hydraulische Vorrichtung mit oder ohne
Transmission auf den Anker übertragen werden, den Arbeitsluftspalt zu öffnen (die
Kraft auf den "Nebenschluss-Anker" soll also in der gleichen Richtung auf den (Arbeits-)Anker
des Selbsthaltemagneten wirken wie die Kraft der Speicherfeder). Zur Kraftübertragung
geeignet ist ein einfacher Stößel. In gespanntem Zustand des Antriebs befindet sich
der Nebenschluss-Anker in einer Position, in welcher die Reluktanz des Nebenschlusses
möglichst gleich der Reihenreluktanz des oder der (Arbeits-)Restluftspalte(s) ist.
Wird nun eine Gegenerregung erzeugt, steigt die auf den Nebenschluss-Anker wirkende
Kraft und wird in Richtung der auf den (Arbeits-)Anker wirkenden (Speicher-)Federkraft
auf den (Arbeits-)Anker übertragen, wirkt also dahingehend, diesen aus seiner Hubanfangslage
zu lösen. Gleichsam wird die magnetische Haltekraft durch die Gegenerregung gemindert.
Bewegung von Anker und Nebenschlussanker bewirkt schließlich eine Abnahme der Reluktanz
des Nebenschlusses sowie eine Zunahme der Reluktanz des Arbeitsluftspaltes.
[0017] Der magnetische Federspeicher gemäß der vorliegenden Erfindung kann bedarfsweise
folgende weitere Merkmale aufweisen:
- geringe Totzeit, d.h. kurze Zeit zwischen Bestromungsbeginn und einsetzender Ankerbewegung
- kein Versagen auch bei, verglichen mit üblichen Selbsthaltemagneten, hohen Gegenerregungen.
[0018] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen
näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die
Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert
darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den
Abbildungen zeigt:
- Fig. 1a
- einen Längsschnitt durch einen Selbsthaltemagneten gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden
Erfindung; und
- Fig. 1b
- einen Querschnitt durch einen Selbsthaltemagneten gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden
Erfindung.
[0019] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten
mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
[0020] In Fig. 1a und Fig. 1b. ist ein Ausführungsbeispiel zu sehen für einen erfindungsgemäßen
Selbsthaltemagneten mit Feder, der einen Nebenschlussanker aufweist. Ein federnder
Anschlag ist nicht abgebildet, kann aber vorteilhaft hinzugefügt werden. Fig. 1a zeigt
einen Schnitt durch den näherungsweise rotationssymmetrischen Antrieb. Die Zeichnung
ist nicht maßstabsgerecht, bietet dem Entwickler aber eine gute Grundlage für FEM-Optimierungen.
Das Ausführungsbeispiel dient nur der Erläuterung und ist keinesfalls als Einschränkung
zu sehen.
[0021] Die einzelnen abgebildeten Bestandteile des Antriebs können aus folgenden Werkstoffen
bestehen:
- 10 Stößel, mit dem Arbeitsanker verschweißt, Austenitischer Edelstahl (NiCr)
- 11 Arbeitsanker, Silizium-Eisen (FeSi)
- 20 Mitnehmer, mit dem Nebenschlussanker verschweißt, (NiCr)
- 21 Nebenschluss-Anker (FeSi)
- 30 äußeres Rahmenteil (FeSi)
- 31 inneres Rahmenteil (FeSi)
- 32 weiteres äußeres Rahmenteil (FeSi)
- 40 Ankerführung (Messing)
- 41 Flussrückführung (FeSi)
- 42 Nebenschlussanker-Anschlag (NiCr)
- 50 Feder (Federstahl, kann vorteilhaft als Wellringfeder ausgeführt werden)
- 60 Widerlager für Feder und Gleitlager(buchse) für Stößel (Bronze)
- 70 Spule, gewickelt in die Nut des Rahmenteils (Kupfer-Lackdraht)
- 80 Permanentmagnet (insb. NdFeB)
[0022] Auf einen Spulenkörper kann verzichtet werden, wenn bspw. die Nut, in welcher die
Spule liegt, isolierend lackiert ist.
[0023] δ10 und δ11 sind die (in Reihe geschalteten) Arbeitsluftspalte in der gespannten
Hubanfangslage und daher bis auf (nicht dargestellte) Restluftspalte geschlossen.
δ20 ist der Nebenschluss-Luftspalt, der vom Nebenschluss-Anker 21 zum Verrichten von
Arbeit genutzt wird. Das innere Rahmenteil 31 ist im Bereich des Arbeitsluftspaltes
δ10 angefast.
[0024] Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Antrieb mit entfernter Ankerführung und entferntem
Arbeitsanker und Stößel. Zu sehen sind die aus radial polarisierten Kreissegmenten
bestehenden Permanentmagnete, die sich in Aussparungen des (weichmagnetischen) Rahmens
befinden. 33 sind konstruktive magnetische Nebenschlüsse, wobei die Magnete so zu
dimensionieren sind, dass diese konstruktiven magnetischen Nebenschlüsse 33 sättigen,
sodass eine magnetische Spannung zwischen dem inneren Rahmenteil 31 und dem äußeren
Bereich mit äußerem Rahmenteil 30, 32 und Flussrückführung 41 auftritt. Die Bauweise
mit radial polarisierten Kreissegmenten, konstruktiven (gesättigten) Nebenschlüssen
usw. ist zwar vergleichsweise aufwendig, ermöglicht aber eine besonders hohe Maßhaltigkeit
und kommt somit der grundsätzlichen Forderung nach geringen Restluftspalten sehr entgegen.
Funktionsweise:
[0025] Nebenluftspalt δ20 ist in der dargestellten Hubanfangslage (gepannter Zustand) von
möglichst gleicher Reluktanz wie die Reihenschaltung δ10, δ11 (jedoch von größerem
Querschnitt). Aus Sicht der Spule kann sich hierdurch ein polarisierter (sic!) Magnetkreis
geringer Reluktanz ergeben, was große Kraftkonstanten (N/A) ermöglicht. Der Nebenschlussanker
21 wirkt über den Mitnehmer 20 auf den mit dem Arbeitsanker verschweißten Stößel 10
und hilft so zusätzlich, die Haltekraft, welche über δ10 und δ11 vermittelt wird,
zu überwinden und den Arbeitsanker zu beschleunigen. Infolge der Reihenschaltung (sic!)
von δ10 und δ11 bewirkt eine Öffnung dieser Restluftspalte um eine gegebene (kleine)
Länge näherungsweise eine doppelt so hohe Zunahme derer Reihen-Reluktanz, wie dies
bei einem einfachen (kleinen) Arbeitsluftspalt der Fall wäre. Gleichsam setzt sich
der Nebenschlussanker 21 in Bewegung und hilft nicht nur vermittels Mitnehmer 20,
den Arbeitsanker zu bewegen, sondern entzieht den Arbeitsluftspalten δ10, δ11 zusätzlich
Fluss, da ja eine schließende Bewegung des Nebenschluss-Ankers zu einer Verminderung
der Reluktanz des Nebenschlusses führt und dieser bezüglich des permanentmagnetisch
erzeugten Flusses mit den Arbeitsluftspalten parallel geschaltet ist. Wie gesagt kann
die (elektrische) Empfindlichkeit dieses Antriebs weiter erhöht werden, indem er mit
einem federnden Anschlag geeigneter Steifigkeit ausgerüstet wird. Dieser Anschlag
(nicht eingezeichnet) kann beispielsweise von einer Tellerfeder Gebrauch machen und
auf den Stößel 10 wirken. Vorspannen der Tellerfeder oder Veränderung derer Ruhelage,
wobei die Feineinstellung vermittels Schrauben mit Feingewinden erfolgen kann, ermöglicht
dann eine Justierung der elektrischen Empfindlichkeit des Antriebs. Es kann vorteilhaft
sein, den erfindungsgemäßen Antrieb mit einer Diode in Reihe zu schalten und parallel
zum Antrieb einen Varistor zu schalten, denn während des Öffnens wird in der Spule
eine Spannung induziert, welche der Auslösespannung entgegengesetzt ist. Eine solche
äußere Beschaltung kann die Auslösezeit erheblich verkürzen. Unter Verwendung eines
federnden Anschlags verläuft eine Auslösung folgendermaßen:
Elektrische Gegenerregung vermindert den Fluss durch Arbeitsluftspalte δ10, δ11 und
erhöht jenen durch Nebenschluss-Luftspalt δ20. Durch den federnden Anschlag führt
dabei schon eine minimale Bestromung zu einem gewissen Ausfedern. Infolge dieses Ausfederns
erhöhen sich δ10 und δ11, derweil δ20 entsprechend abnimmt (da der Nebenschluss-Anker
21, durch Reluktanzkraft beschleunigt, dem Stößel 10 folgt). Weil die genannten Luftspalte
alle klein sind, führt diese kleine Auslenkung des Systems - das Ausfedern - zu einer
ausgeprägt anderen Verteilung des permanentmagnetisch erzeugten Flusses: Der Fluss
durch die Arbeitsluftspalte δ10, δ11 nimmt ab, jener durch den Nebenschluss nimmt
zu. Die rapide Zunahme der auf den Nebenschluss-Anker 21 wirkenden Kraft trägt zum
Auslösen des Selbsthaltemagneten bei und ermöglicht wegen der zusätzlich über Mitnehmer
20 und Stößel 10 auf den Arbeitsanker 11 übertragenen Kraft und des magnetischen "Kurzschließens"
der Arbeitsluftspalte δ10, δ11 auch eine erhebliche Verkürzung der erzielbaren Stellzeiten,
denn in der Umgebung der Hubanfangslage stehen bei herkömmlichen Selbsthaltemagneten,
jedenfalls bei geringen Auslöseleistungen, nur kleine Kräfte aus der Differenz der
Federkraft und der Reluktanzkraft zur Beschleunigung des Ankers zur Verfügung. Im
Ausführungsbeispiel dagegen wird die die Ankerbewegung hemmende Reluktanzkraft mit
dem zugehörigen Fluss infolge der Bewegung des Nebenschluss-Ankers kurzgeschlossen,
während der Arbeitsanker 11 durch die auf Nebenschlussanker 21 wirkende Reluktanzkraft
zusätzlich zur Federkraft angetrieben wird).
1. Selbsthaltemagnet, umfassend:
- einen Magnetkreis umfassend einen Stator und einem ersten Anker (11);
- einen Anschlag;
- eine durch den Anschlag definierte Hubanfangslage, in welcher zwischen Stator und
erstem Anker ein oder mehrere Arbeits-Restluftspalte vorliegen;
- mindestens eine Feder (50), welche eine Federkraft ausübt, die den ersten Anker
vom Anschlag wegdrückt;
- einen magnetischen Nebenschluss (33; 31, 520, 21, 32);
- einen oder mehrere Permanentmagnete (80) zur Erregung des Magnetkreises;
- eine oder mehrere Auslöse-Spulen (70) zur Gegenerregung des Magnetkreises,
wobei der Magnetkreis so bemessen ist, dass er seinen ersten Anker magnetisch wider
die Federkraft in der Hubanfangslage zu halten vermag, wobei der magnetische Nebenschluss
in der Hubanfangslage eine Reluktanz aufweist, welche von gleicher Größenordnung ist
wie die Reluktanz des Arbeits-Restluftspaltes oder im Falle einer Reihenschaltung
mehrerer Arbeits-Restluftspalte wie die Reihen-Reluktanz der Arbeits-Restluftspalte,
wobei Arbeits-Luftspalt(e) (510, 511) und Nebenschluss (33; 31, 520, 21, 32) bezüglich
des permanentmagnetisch erzeugten Flusses magnetisch parallel geschaltet sind, bezüglich
des von der(den) Auslöse-Spule(n) erzeugten Flusses aber in Reihe geschaltet sind,
wobei die Auslöse-Spule(n) derart bestromt werden, dass der magnetische Fluss in dem
(den) Arbeitsluftspalt(en) geschwächt und der magnetische Fluss im Nebenschluss erhöht
wird, was zum Entspannen der Feder führt, wenn die magnetische Haltekraft betragsmäßig
die Federkraft unterschreitet;
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anschlag als federnder Anschlag ausgestaltet ist, wobei der Anschlag selbst Federeigenschaften
aufweist und dabei 100- bis 10.000-mal steifer ist als die mindestens eine Feder.
2. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1, wobei der magnetische Nebenschluss so ausgeführt
ist, dass eine Bewegung des ersten Ankers weg aus der Hubanfangslage eine Verminderung
der Reluktanz des Nebenschlusses zur Folge hat, womit der permanentmagnetisch erzeugte
Fluss mit einsetzender Bewegung des ersten Ankers zunehmend auf den Nebenschluss kommutiert.
3. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 2, wobei das Kommutieren des permanentmagnetisch
erzeugten Flusses auf den Nebenschluss erreicht wird, indem:
der Nebenschluss einen zweiten Anker (21) umfasst, welcher die auf ihn wirkende Reluktanzkraft
beispielsweise durch einem Stößel (10) auf den ersten Anker überträgt,
sodass eine Gegenerregung durch die Auslöse-Spule(n) zur Folge hat, dass der Fluss
in den Arbeitsluftspalt(en) des ersten Ankers abnimmt, der Fluss in den Arbeitsluftspalt(en)
des zweiten Ankers jedoch zunimmt.
4. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 2, wobei das Kommutieren des permanentmagnetisch
erzeugten Flusses auf den Nebenschluss erreicht wird, indem:
der Selbsthaltemagnet als Umkehrhubmagnet ausgeführt ist,
wobei eine Stirnfläche des Ankers zusammen mit einem Rahmen den Arbeitsluftspalt des
Selbsthaltemagneten bildet, wobei das gegenüberliegende Ende des Ankers den Nebenschluss
bildet, und wobei der Nebenschluss als Anker-Ankergegenstück-System ausgeführt ist,
welches so ausgelegt ist, dass die höchste Kraftkonstante in der Hubanfangslage auftritt.
5. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1, wobei der federnde Anschlag 100 bis 1000 mal steifer
ist als die mindestens eine Feder.
6. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der federnde Anschlag bezüglich seiner Vorspannung und/oder Position einstellbar
ist, bevorzugt mit Hilfe von Gewinden.
7. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Nebenschluss nicht als geometrisch bestimmter Luftspalt ausgeführt wird sondern
mit Hilfe eines Werkstoffs mit verteiltem Luftspalt.
8. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Nebenschluss bzw. die zugehörige Flussführung derartig dimensioniert und geformt
ist, dass infolge von Sättigung die Reluktanz des von der Spule gesehenen Eisenkreises
dahingehend steigen kann, dass auch bei vergleichsweise hoher Gegenerregung ein unbeabsichtigtes
Festhalten des Ankers in seiner Hubanfangslage oder ein unzulässig verzögertes Auslösen
vermieden wird.
9. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass er mit einem Gleichrichter und einem Varistor ausgerüstet ist, wobei der Gleichrichter
mit dem Selbsthaltemagneten in Reihe, der Varistor aber parallel geschaltet, und zwar
so, dass bei einer Änderung der Stromrichtung in der Spule des Selbsthaltemagneten
der Strom nicht länger über den Gleichrichter fließt sondern über den Varistor frei
läuft.
10. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass als Feder eine Wellringfeder verwendet wird.
11. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 oder 3 gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens der oder die Anker rund ausgeführt werden und dass in den oder die Anker
und/oder in Rahmenteile des Ankers Schlitze eingebracht sind und dass diese Schlitze
mit einem elektrisch schlecht leitenden Lagerwerkstoff gefüllt sind, der so weit übersteht,
dass er als Teil eines Gleitlagers dienen kann.
12. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass als Feder eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket besitzt, welche eine derart
degressive Kennlinie aufweist, dass die Federkraft beim Entspannen der Feder zuerst
zunimmt.
13. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der federnde Anschlag mit Hilfe mindestens einer Biegefeder, insbesondere einer Tellerfeder,
aufgebaut ist.
1. A self-holding magnet, comprising:
- a magnetic circuit comprising a stator and a first armature (11);
- a stop;
- a stroke starting position defined by the stop, in which between stator and first
armature one or more working residual air gaps are present;
- at least one spring (50) which exerts a spring force which urges the first armature
away from the stop;
- a magnetic shunt (33; 31, δ20, 21, 32);
- one or more permanent magnets (80) for the excitation of the magnetic circuit;
- one or more trigger coils (70) for the counter-excitation of the magnetic circuit,
wherein the magnetic circuit is dimensioned such that it is able to magnetically hold
its first armature in the stroke starting position against the spring force, wherein
in the stroke starting position the magnetic shunt has a reluctance which is of the
same order of magnitude as the reluctance of the working residual air gap or in the
case of a series connection of a plurality of working residual air gaps as the series
reluctance of the working residual air gaps, wherein working air gap(s) (δ10, δ11)
and shunt (33; 31, δ20, 21, 32) are magnetically connected in parallel with respect
to the permanent-magnetically generated flux, but are connected in series with respect
to the flux generated by the trigger coil(s),
wherein the trigger coil(s) are energized such that the magnetic flux in the working
air gap(s) is attenuated and the magnetic flux in the shunt is increased, which leads
to the relaxation of the spring when the amount of the magnetic holding force falls
below the spring force;
characterized in
that the stop is designed as a resilient stop, wherein the stop itself has spring properties
and is 100 to 10,000 times stiffer than the at least one spring.
2. The self-holding magnet according to claim 1, wherein the magnetic shunt is configured
such that a movement of the first armature away from the stroke starting position
results in a reduction of the reluctance of the shunt, so that the permanent-magnetically
generated flux increasingly commutates onto the shunt with the onset of movement of
the first armature.
3. The self-holding magnet according to claim 2, wherein commutating of the permanent-magnetically
generated flux onto the shunt is achieved in that:
the shunt comprises a second armature (21) which transmits the reluctance force acting
on the same to the first armature for example by means of a tappet (10), so that a
counter-excitation by the trigger coil(s) leads to the fact that the flux in the working
air gap(s) of the first armature decreases, but the flux in the working air gap(s)
of the second armature increases.
4. The self-holding magnet according to claim 2, wherein commutating of the permanent-magnetically
generated flux onto the shunt is achieved in that:
the self-holding magnet is configured as a reversing stroke magnet, wherein an end
face of the armature together with a frame forms the working air gap of the self-holding
magnet, wherein the opposite end of the armature forms the shunt, and wherein the
shunt is configured as a system of armature and armature counterpart, which is designed
such that the highest force constant occurs in the stroke starting position.
5. The self-holding magnet according to claim 1, wherein the resilient stop is 100 to
1000 times stiffer than the at least one spring.
6. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the resilient stop is adjustable in terms of its pretension and/or position, preferably
by means of threads.
7. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the shunt is not configured as a geometrically specified air gap, but by means of
a material with a distributed air gap.
8. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the shunt or the associated flux guidance is dimensioned and shaped such that the
reluctance of the iron circuit seen by the coil can rise as a result of saturation
to the effect that even with a comparatively high counter-excitation an inadvertent
retention of the armature in its stroke starting position or an inadmissibly delayed
triggering is avoided.
9. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that it is equipped with a rectifier and a varistor, wherein the rectifier is connected
in series with the self-holding magnet, but the varistor is connected in parallel,
namely such that in the case of a change of the current direction in the coil of the
self-holding magnet the current no longer flows over the rectifier, but freely runs
over the varistor.
10. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the spring used is a corrugated annular spring.
11. The self-holding magnet according to claim 1 or 3, characterized in that at least the armature or the armatures is/are of round design and that slots are
incorporated into the armature(s) and/or into frame parts of the armature, and that
these slots are filled with a bearing material of poor electrical conductivity, which
protrudes to such an extent that it can serve as part of a plain bearing.
12. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the spring used is a disk spring or a disk spring pack which has such a degressive
characteristic that the spring force first increases on relaxation of the spring.
13. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the resilient stop is constructed by means of at least one bending spring, in particular
a disk spring.
1. Aimant à auto-maintien, comprenant :
- un circuit magnétique comprenant un stator et un premier induit (11) ;
- une butée ;
- une position de départ de la course définie par la butée, dans laquelle un ou plusieurs
entrefers résiduels de travail sont présents entre le stator et le premier induit
;
- au moins un ressort (50) qui exerce une force élastique qui pousse le premier induit
à s'éloigner de la butée ;
- un shunt magnétique (33 ; 31, δ20, 21, 32) ;
- un ou plusieurs aimants permanents (80) pour l'excitation du circuit magnétique
;
- une ou plusieurs bobines de déclenchement (70) pour la contre-excitation du circuit
magnétique,
dans lequel le circuit magnétique est dimensionné de telle sorte qu'il est capable
de maintenir magnétiquement son premier induit dans la position de départ de la course
contre la force élastique,
dans lequel, dans la position de départ de la course, le shunt magnétique possède
une réluctance qui est du même ordre de grandeur que la réluctance de l'entrefer résiduel
de travail ou, dans le cas d'un montage en série d'une pluralité d'entrefers résiduels
de travail, que la réluctance en série des entrefers résiduels de travail,
dans lequel le(s) entrefer(s) de travail (δ10, δ11) et le shunt (33 ; 31, δ20, 21,
32) sont reliés magnétiquement en parallèle par rapport au flux généré par aimant
permanent, mais sont reliés en série par rapport au flux généré par la (les) bobine(s)
de déclenchement,
dans lequel la ou les bobines de déclenchement sont excitées de telle sorte que le
flux magnétique dans le ou les entrefers de travail est atténué et que le flux magnétique
dans le shunt est augmenté, ce qui entraîne la relaxation du ressort lorsque la grandeur
de la force de retenue magnétique tombe en dessous de la force élastique ;
caractérisé en
ce que la butée est réalisée comme une butée élastique, la butée elle-même possédant des
propriétés de ressort et est 100 à 10.000 fois plus rigide que le au moins un ressort.
2. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, dans lequel le shunt magnétique est
réalisé de telle sorte qu'un mouvement du premier induit s'éloignant de la position
de départ de la course entraîne une réduction de la réluctance du shunt, de sorte
que le flux généré par aimant permanent commute de plus en plus sur le shunt avec
le début du mouvement du premier induit.
3. Aimant à auto-maintien selon la revendication 2, dans lequel la commutation du flux
généré par aimant permanent sur le shunt est atteint par le fait que :
le shunt comprend un deuxième induit (21), qui transmet la force de réluctance agissant
sur ce-ci au premier induit, par exemple au moyen d'un poussoir (10), de sorte qu'une
contre-excitation par la ou les bobine(s) de déclenchement entraîne une diminution
du flux dans le ou les entrefer(s) de travail du premier induit, mais une augmentation
du flux dans le ou les entrefer(s) de travail du deuxième induit.
4. Aimant à auto-maintien selon la revendication 2, dans lequel la commutation du flux
généré par aimant permanent sur le shunt est atteint par le fait que :
l'aimant à auto-maintien est réalisé comme un aimant à course réversible, dans lequel
une face frontale de l'induit forme avec un cadre l'entrefer de travail de l'aimant
à auto-maintien, dans lequel l'extrémité opposée de l'induit forme le shunt, et dans
lequel le shunt est configuré comme un système d'induit et de contrepartie d'induit,
qui est conçu de telle sorte que la constante de force la plus élevée se produise
dans la position de départ de la course.
5. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, dans lequel la butée élastique est
100 à 1000 fois plus rigide que ledit au moins un ressort.
6. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée élastique est ajustable par rapport à sa prétension et/ou position, de préférence
au moyen de filetages.
7. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le shunt n'est pas réalisé comme un entrefer géométriquement spécifié, mais au moyen
d'un matériau avec un entrefer distribué.
8. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le shunt ou le guidage de flux associé est dimensionné et formé de telle sorte que
la réluctance du circuit de fer vu par la bobine puisse augmenter en raison de la
saturation, de sorte que même avec une contre-excitation relativement élevée une rétention
involontaire de l'induit dans sa position de départ de course ou un déclenchement
retardé de manière inadmissible soit évité.
9. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un redresseur et d'un varistor, le redresseur étant monté en série
avec l'aimant à auto-maintien, le varistor par contre étant montée en parallèle, c'est-à-dire
de telle sorte que, en cas de changement du sens du courant dans la bobine de l'aimant
à auto-maintien, le courant ne circule plus sur le redresseur, mais passe librement
sur le varistor.
10. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort utilisé est un ressort annulaire ondulé.
11. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins l'induit ou les induits est/sont de forme ronde et que des fentes sont incorporées
dans l'induit/les induits et/ou dans des parties du cadre de l'induit, et que ces
fentes sont remplies d'un matériau de palier de faible conductivité électrique, qui
fait saillie au point qu'il peut servir comme partie d'un palier lisse.
12. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort utilisé est un ressort à disques ou un paquet de ressorts à disques qui
possède une caractéristique tellement dégressive que la force élastique augmente d'abord
lors de la relaxation du ressort.
13. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée élastique est construite au moyen d'au moins un ressort de flexion, en particulier
un ressort à disques.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur
- E. KALLENBACHR. EICKP. QUENDTT. STRÖHLAK. FEINDTM. KALLENBACHElektromagnete, 2008, 298- [0002]